高級植物生理課件緒論.ppt

高級植物生理學,主講人:毛自朝 Tel:5227732(O) 5225102(H) Cell phone You are welcome to the advanced plant physiology!,緒論 第一章 植物細胞及細胞壁 第二章 植物細胞信號傳導 第三章 植物的光合作用 第四章 植物的氮硫代謝 第五章 植物的鉀代謝 第六章 植物的磷代謝 第七章 植物的基因工程 第八章 植物激素及其信號傳導 第九章 植物的生殖與發(fā)育 第十章 細胞程序化死亡 第十一章植物的次生代謝 第十二章RNAi,緒論,參考文獻,余叔文，湯章城. 植物生理與分子生物學(第二版). 科學出版社，1999，北京。 孫大業(yè)，郭艷林，馬力耕.細胞信號轉(zhuǎn)導(第三版).科學出版社，2002，北京。 Bob B ,Buchanan, Wilhelm Gruissem , Russell L.Jones Biochemistry &Molecular Biology of Plant ,科學出版社，American Society of plant physiologists 武維華. 植物生理學(第二版）.科學出版社，2007，北京。 吳平，印莉萍，張立平，等. 植物營養(yǎng)分子生理學. 科學出版社，2001，北京。 張立軍，梁宗鎖植物生理學科學出版社2007 湯華. RNA干擾原理與應用. 科學出版社，2006，北京。,一、植物生理學定義及研究內(nèi)容,植物生理學定義,植物生理學（plant physiology）是研究植物生命活動規(guī)律的科學。它研究植物如何生活，如何生長，如何生殖以及與環(huán)境條件的相互關系。包括水分代謝，礦質(zhì)營養(yǎng)，呼吸作用，光合作用，物質(zhì)轉(zhuǎn)化與運輸分配等。在物質(zhì)代謝和能量代謝的基礎上，表現(xiàn)為種子萌芽、植株生長、分化、生殖、成熟、衰老、脫落或休眠的過程 .,研究內(nèi)容,研究植物的物質(zhì)代謝 研究植物的能量代謝 研究植物的形態(tài)建成 研究植物的信息傳遞 研究植物的類型變異 物質(zhì)代謝和能量代謝是形態(tài)建成的基礎；信息傳遞是形態(tài)建成的前提；形態(tài)建成是物質(zhì)代謝，能量轉(zhuǎn)化和信息傳遞的必然結果；而類型變異是植物適應各種環(huán)境條件的綜合表現(xiàn)。,第一章：細胞及細胞壁,Cell ,the basic unit of life ,require membrane for their existence Membrane:plasmsa embrane , endombrane system(ER, Golgi apparatus,Nuclear envelope ,vacuoles, plastid, peroxisomes and glyoxysomes) Cell wall :Constrain rate and direction of cell growth ,exerting profound influence of plant development and morphology,Cell wall,(Structurally): middle lamella ,primary wall ，second wall Chemicallly )Composed of ploysaccharides ,proteins (and aromatic substances Polysaccharide :Cellulose microfibrils (scaffold), Hemicellulose cross link the Cellulose microfibrils ,and the cellulose and hemicellulose complex is embedded by pectin gel Cell wall is borne at cell plate and cell enlargemnet depedent on combination activities of endoglycosidase ,endotransglycosidse ,and expansin Constitute major dietary fibers for human nutrition,used in wood paper and textile product ,biomass for bio-energy and bio-chemicals .,第二章 細胞信號傳導（signal transduction）,研究細胞感受，轉(zhuǎn)導環(huán)境刺激的分子途徑及其在生物個體發(fā)育過程中如何調(diào)節(jié)基因表達和代謝生理反應。 如果細胞不能進行精巧的調(diào)節(jié)控制，生物在復雜的環(huán)境中是不可能保持平衡的生長，發(fā)育； 正常代謝細胞代謝速率被調(diào)節(jié)控制在一個十分精密的范圍內(nèi)，使得各種物質(zhì)濃度處于執(zhí)行功能所需的最適狀態(tài)； 生物體在新陳代謝時，有物質(zhì)流，能量流和信息流（信息論的觀點）。,為什么說物質(zhì)流、能量流和信息流是統(tǒng)一的？,物質(zhì)的多少，包含著能量的多少； 物質(zhì)流、能量流的流動符合物理原理； 物質(zhì)流和能量流包含著信息流； 物質(zhì)代謝和能量代謝是形態(tài)建成的基礎； 信息傳遞是形態(tài)建成的前提； 形態(tài)建成是物質(zhì)代謝、能量轉(zhuǎn)化和信息傳遞的必然結果。,有關細胞信號傳遞的觀點,1955年Sutherland提出cAMP的第二信使學說，揭開了胞間激素信使向胞內(nèi)信使傳導過程研究的新篇章； 1978年Rasmussen依據(jù)Ca2+受體蛋白鈣調(diào)素(Calmodulin）的發(fā)現(xiàn)和功能提出Ca2+第二信使學說； 19831984年Berridge等提出質(zhì)膜肌醇磷酸的代謝途徑產(chǎn)生胞內(nèi)信使IP3和DG。 “細胞信號傳導”的主要含義是指胞間以激素為主通訊以及外界環(huán)境因子作用于細胞表面（或胞內(nèi)受體）后，如何跨膜傳遞形成胞內(nèi)第二信使，以及其后的信息分子級聯(lián)傳遞，誘導基因表達和引起生理反應的過程。,三細胞信號的主要種類,1.生物大分子的結構信號: （1） 蛋白質(zhì) （2）多糖及糖蛋白、糖脂類 （3）核酸 2.物理信號 包括電場、磁場、光、聲、輻射等物理因素。 3化學信號 細胞內(nèi)通訊的信號分子，一般公認的化學信號分子有：環(huán)腺苷酸（cAMP），環(huán)鳥苷酸（cGMP），鈣離子（Ca2+）、 肌醇三磷酸（IP3）及甘油二脂（DG）等，但有人認為質(zhì)子（H+），花生四烯酸等也是細胞內(nèi)通訊的化學信號分子。,生物大分子的結構信號,細胞信號包含在大分子之三維外形的亞基結構順序信息之中。結構順序依靠強大的共價鍵保持長期穩(wěn)定。而大部分外形主要靠非共價弱鍵（氫鍵，離子鍵，范德華力和疏水鍵）維持相對穩(wěn)定，并在分子內(nèi)和分子間的識別上起重要作用。 以生物大分子結構信號為基礎的分子識別在細胞中有獨特功能。,大分子結構在進化中的意義：,可以建造大結構而節(jié)省DNA； 可以減少蛋白質(zhì)生物合成中的差錯，因而在組裝時將差錯排除； 亞基組裝鍵多能量少，裝卸容易，有利于完成快速生理反應。 許多超分子結夠亞基可以自我組裝，其組裝的信息主要存在于蛋白自身結構中。TMV包括了蛋白質(zhì)和RNA亞基裝配。TMV顆粒分子量4萬KD，長300nm，由2,200條相同肽鏈及一條RNA分子組成。1955年，H. FraenkelConrat和R. C. Williams報道，TMV顆粒經(jīng)去垢劑處理解離為多肽鏈與RNA后，只要簡單的將其混合在一起，就可以重新組成有感染能力的TMV顆粒。 以上實例說明，多肽亞基的氨基酸序列含有兩個水平信息：,A.決定了肽鏈的三維空間構象； B.每個肽鏈的三級結夠必然含有一個或一個以上的識別位點，靠專一的幾何形狀形成特殊的四級結構以至超級分子結構。 有些復雜結構的裝配在酶的作用下或模板指導下完成。,（2）多糖及糖蛋白、糖脂類 細胞表面糖被結構可能在細胞識別中（cell recognition）中起重要作用。如： A正常培養(yǎng)的細胞，分裂生長較快，但形成細胞層后，便受到抑制。 B癌細胞增殖時失去接觸抑制，便大量增生。 有人認為這種識別信號可能存在于細胞質(zhì)膜外表面的糖被（glycocalyx）結構之中。糖被由糖蛋白與糖脂組成，即由寡糖鏈與膜蛋白和膜脂相連而成，有時還包括吸附在表面的糖蛋白。 （3）核酸 DNA中的線性核苷酸序列攜帶遺傳信息，這是一個普遍公認的真理。,2物理信號 電場、磁場、光、聲、輻射等物理因素是可以影響生物生長發(fā)育的重要外界環(huán)境因子，但目前知電，光，磁場等可以在生物器官，組織細胞之間或其內(nèi)起信號分子作用。在動植物中都發(fā)現(xiàn)，兩個相隔一定距離的細胞，但其中之一給以電刺激，另一個細胞便產(chǎn)生電響應。 3化學信號 細胞內(nèi)通訊的信號分子，一般公認的化學信號分子有：環(huán)腺苷酸（cAMP），環(huán)鳥苷酸（cGMP），鈣離子（Ca2+）、 肌醇三磷酸（IP3）及甘油二脂（DG）等，但有人認為質(zhì)子（H+），花生四烯酸等也是細胞內(nèi)通訊的化學信號分子。,環(huán)境刺激與胞外信號,1環(huán)境刺激 環(huán)境刺激因子：光、溫、重力、風、雨、觸摸、傷害、病原激發(fā)子（elicitor）等。紅光在最初16-18min時引起Ca2+內(nèi)流，但隨后6-8min引起Ca2+外流。觸摸植物10分鐘引起5個基因（tch1-tch5）高效表達。其他因子如噴水、根部供水、切傷、吹風、黑暗處理、移動、音樂、濕度變化等刺激，除后三者外，其他均可以引起tch1-tch4中全部或部分表達的變化，其中mRNA水平增加可達100倍。,胞間信號傳導 信號作用位點與效用信號不同時，就必然有胞間信號傳遞信息。如土壤干旱引起地上部葉片氣孔關閉時，由ABA能傳遞信息；葉片蟲咬傷害引起周身性防御反應可能由寡聚糖和ABA等傳遞信息。ABA在引起氣孔關閉時經(jīng)常使保衛(wèi)細胞Ca2+增加。Kearns等認為細胞質(zhì)Ca2+增加使質(zhì)膜去極化。產(chǎn)生動力使K+外流和蘋果酸含量下降，保衛(wèi)細胞失水從而使氣孔關閉。,For example Pis gene expression,誘導pin基因表達信號分子可能是ABA。,pin基因活化-蛋白酶抑制物（PIs） 立即去掉后就沒有PIs產(chǎn)生，但將受害 葉的細胞壁水解片段（主要為寡聚糖）加到葉片中以有PIs產(chǎn)生。,For example PIs gene expression,可能的機制,寡糖素是受傷葉片釋放到維管束后轉(zhuǎn)移到植物其它部分,誘導pin基因活化的信號分子(PIIF,即PI誘導因子; Willmitzer認為,ABA 是PIIF,因為傷害使受害葉及相鄰葉片的ABA大大增加,直接噴灑ABA于番茄葉片亦可活化pin基因,而缺乏ABA 的番茄突變體,受傷害時,pin 基因的活化能力大大減弱.,3.胞間物理信號 電波的信息傳遞在高等植物中是普遍存在的。婁成后院士認為： （1）植物為了對環(huán)境變化作出反應，既需要專一的化學信息傳遞，也需要快速的電波傳遞； （2）植物的電波傳遞有多種形式：對高敏感植物，外界刺激無需達到傷害程度即可產(chǎn)生動作電波（action pulse）；中度敏感的植物在傷害刺激條件下產(chǎn)生變異電波(variant pulse)；最不敏感的植物只引起不可傳遞的局部電位變化，而且植物都有經(jīng)逆境或劇烈刺激激活的潛在興奮性；,（3）與動物相似，植物的電波也是質(zhì)膜極化及透性變化的結果，而且伴隨有化學信號的產(chǎn)生（如乙酰膽堿生成）； （4）植物電波長途傳遞是維管束，短途傳遞則通過共質(zhì)體和質(zhì)外體； （5）各種電波傳遞都可以產(chǎn)生生理效應。,跨膜信號轉(zhuǎn)換,受體 尤其是質(zhì)膜外側受體是胞間信使起作用并轉(zhuǎn)換為胞內(nèi)信使的首要步驟。ABA、赤霉素及生長素受體位于質(zhì)膜外側。植物光敏素是受體之一。 光敏素基因已被克隆。激發(fā)子（elicitor）及植物毒素（phytotoxin）受體的研究是一個熱點。病原或寄主植物細胞壁衍生的激發(fā)子，首先作用于寄主細胞表面受體，通過兩者的識別與受體激活引起胞內(nèi)的防御反應,G蛋白（GTP-binding protein） G蛋白的發(fā)現(xiàn)使用使Gilman與Rodbell于1994年獲諾貝爾醫(yī)學生理學獎。植物G蛋白研究始于1980年代后期，蛋白印跡法檢出的多種G蛋白分子量大都在3137KD之間。用GTP結合試驗、免疫反應、分離純化以及分子生物學和生理試驗說明植物中存在G蛋白類似物，但其結構是否與動物G蛋白相同仍有待研究。,細胞內(nèi)信號,1Ca2+信號 （1）Ca2+信使 不同的胞外刺激引起的胞內(nèi)Ca2+信號也不僅僅是Ca2+ 的變化，而是有多種Ca2+信號形式，其中多數(shù)產(chǎn)生一種短暫（從秒到分量級）、突發(fā)而單一的Ca2+峰；而激素GA及細胞分裂常常表現(xiàn)一種適度而持久（分小時）的Ca2+增加，緩慢回落；ABA與植物生長素（Auxin）則常表現(xiàn)為Ca2+振蕩（出現(xiàn)多個Ca2+峰）。,植物細胞Ca2+轉(zhuǎn)移系統(tǒng)的研究取得了重要進展。質(zhì)膜Ca2+泵蛋白已在玉米葉和鴨趾草細胞上純化并重組入脂質(zhì)體，并產(chǎn)生ATP依賴的Ca2+吸收。 （2）鈣調(diào)蛋白 Ca2+信息通過其受體-鈣調(diào)蛋白的傳遞信息。已研究的植物鈣調(diào)蛋白有兩種：鈣調(diào)素（CM）和鈣依賴的蛋白激酶。,2雙信使 （1）已肯定植物細胞質(zhì)膜中三種主要的磷脂酰肌醇，即PI、PI（4）P及PI（4、5）P2，其中PI（4、5）P2水解產(chǎn)生的肌醇三磷酸（I（1、4、5）P3）及甘油二脂（DG）兩個胞內(nèi)信使，以及兩種信使進一步代謝的產(chǎn)物等。同時整個磷脂酰肌醇代謝的多種酶，如磷酯酶C、質(zhì)膜上的PI及PI（4）P激酶、DG激酶的多種磷酸酶也已被鑒定出來。 （2）植物細胞中存在IP3/Ca2+傳遞途徑的觀點得到更多支持。,第三章植物的氮硫代謝(于虹曼）,Nitrogen and Sulfur often exist in soli at oxidized form ,they must be reduced before utilized by plant metabolism Few group of plant can obtain NH4+ from N2 by symbiosis nitrogen fixing process Nitrate uptaking by plant is mediated by high and low proton symporters NRT1 and NRT2 And it was reduced by nitrate reductase and nitrite reductase to amommonium for amino acid synthesis Sulfur which derived and reduced from sulfate , is essential for life. many enzymes for sulfate reduction and sulfur assimilation in plant has been defined and mechanisms for regulation was revealed,第四章植物鉀的代謝,1.鉀離子是植物細胞中含量最豐富的陽離子之一。它的功能： K+能促進細胞內(nèi)酶的活性。細胞內(nèi)有50多種酶或完全依賴于K+ ，或受K+的激活，如丙酮酸激酶、谷胱合成酶、6-磷酸果糖激酶等能被K+激活。作用方式為：同其他一價陽離子都是通過誘導酶構象的改變，使酶得到活化，從而提高催化反應的速率。在某些情況下K+能增加酶對底物的親和力。K+對膜結合ATP酶也有激活作用。,2.K+與蛋白質(zhì)的合成有關。小麥胚芽中分離出的核糖體，合成蛋白質(zhì)達到最佳速率時，其所需K+濃度為130mM。 3 K+可能參與tRNA與核糖體結合過程中的幾個步驟。 4 K+能調(diào)節(jié)植物體的許多生理功能，如增強植物光合作用，增強植株體內(nèi)物質(zhì)合成和轉(zhuǎn)運，提高植物抗性，維持細胞膨壓等。,一、轉(zhuǎn)運途徑 1 真核生物細胞膜上存在Na+ - K+ ATPase，高親和K+吸收轉(zhuǎn)運體和組織特異性的K+通道。 2 原核生物中至少有4種功能上獨立的K+轉(zhuǎn)運系統(tǒng)。,第五章植物的磷代謝,磷是植物生長發(fā)育不可缺少的大量營養(yǎng)元素之一，是植物的重要組成部分，同時又以多種方式參與植物體內(nèi)各種生理生化過程，對促進植物的生長發(fā)育和新陳代謝起重要作用 我國農(nóng)田中有2/3嚴重缺磷。原因： 被酸性土壤中的鐵鋁氧化物及石灰性土壤中的碳酸鈣化合物固定，成為難被利用的固態(tài)磷。如石灰性土壤中磷肥當季利用率一般只有10左右。-土壤磷的遺傳學缺乏。實際上，酸性紅黃壤與石灰性土壤中總磷一般比有效磷高幾百倍。 土壤中的總磷很低土壤學缺磷（本質(zhì)缺磷）。 高親和磷酸鹽吸收轉(zhuǎn)運體基因及表達 分離到的基因 AtPT1、AtPT2、PHT1、PHT2、PHT3、pht1。其中前兩者是最早分離到的高親和磷酸鹽吸收轉(zhuǎn)運體基因。,第六章光合作用（海梅榮）,The overall process of plant, algae ,and prokaryotes directly using light as energy to synthesize organic chemicals In eukaryotic organism photosynthesis is occurred in chloroplast and its is composed of “l(fā)ight” and “dark” reaction Light reaction involved photosynthetic pigments ,photosynthetic proton transporter chain and ATP synthesis machinery Dark reaction is process involving reduction CO2 to carbohydrates For surviving plant developed C3 C4 and CAM pathways,Photosynthesis,H2O,CO2,O2,C6H12O6,Light Reaction,Dark Reaction,Light is Adsorbed By Chlorophyll,Which splits water,Chloroplast,ATP and NADPH2,ADP NADP,Calvin Cycle,Energy,Used Energy and is recycled.,+,+, ,第七章植物基因工程,Transgenic plants have potential to impact many areas, including our food supply and our healthcare system and basic research There is no doubt that the technology works It is essential that proper testing of all products be carried out prior to commercialization. Popular transformation method is Agrobacterium tumefacis mediate method and its mechanisms,Genes and Proteins,Restriction enzymes,As biological scissors,“Gene Gun” Technique,Gene gun,Electroporation Technique,Power supply,Plant Expression Vector Mono Vector System Two component Vector system,Genes = the coding system for instructions A gene = is a segment of DNA,Guanine (G),Cytosine (C),Adenine (A),Thymine (T),bases,DNA,DNA and Genes,gene,Restriction enzymes,As biological scissors,Next Generation of Transgenic Crops,Plant-based vaccines Enhanced nutritional content Functional foods and phytoceuticals Transgenic plants for phytoremediation Plant-derived plastics and polymers,第八章植物激素及其信號傳導,Biosynthesis ,catabolic and conjugated pathway of hormone for homeostasis of plant hormone pools Factions and partial signaling pathway of GAs, CTKs, IAA , ABA , Ethylene, BRs, PAsand JA will be discussed,Comparison between auxin and gibberellin signaling pathway,第九章植物的生殖與發(fā)育,Inducing of flower and MADs genes expression Gametes formation and double fertilization Seed development and gene expression,第十章 植物的衰老與細胞程序化死亡,Selective cells tissues and organs are essential for plant development and survival PDC: any process which involving protoplasm,W/O cell wall is eliminate as part of development and adaptive events in life cycle of plant,Senescing cell turn on chlorophyll degrading pathway and unmasking carotenoid and other pigment , protein and nuclear acid are broken down for transporting nitrogen or phosphate for reutilization Plant hormone influences the sequencing process HR is part of PDC and it mechanism and function for preventing pathgens further infection,H2H2 induced ,第十一章：植物的次生代謝,ENERGY,hn,CO2,O2,H2O,“N”,N2,NO2-/NO3-/NH4+,TRACE METALS,Na, Ca, K, Mg Fe, Cu, Co, Mo,Photosynthesis,A TYPICAL PLANT,Glycolysis,bacteria,H2O,(daytime),Respiration,(nighttime),PRIMARY METABOLISM,Primary metabolism comprises the chemical processes that every plant must carry out every day in order to survive and reproduce its line.,Photosynthesis Glycolysis Citric Acid Cycle Synthesis of amino acids Transamination Synthesis of proteins and enzymes Synthesis of coenzymes Synthesis of structural materials Duplication of genetic material Reproduction of cells (growth) Absorption of nutrients,SECONDARY METABOLISM,Secondary metabolism comprises the chemical processes that are unique to a given plant, and are not universal.,Secondary metabolism is the chemistry that leads to the formation of a natural product.,Sometimes portions of this chemistry are common to a number of different plants or plant families, but the actual chemical produced (natural product) is usually different in one plant than in another.,Common chemical precursors can lead to different results.,Secondary metabolites (in most cases) do not appear to be necessary to the survival of the plant, but they may give it a competitive advantage.,CO2 + H2O,Photosynthesis,Glucose,Carbohydrates,G L Y C O L Y S I S,Acetyl CoA,Citric Acid Cycle,Fatty Acids Lipids,Acetogenins Terpenes Steroids,Building Blocks,Amno Acids,Proteins,synthesis,enzymes,regulation,Nucleic Acids,reproduction,Alkaloids,Phenyl- propanoids,RNA DNA,PRIMARY METABOLISM,SECONDARY METABOLISM,SECONDARY METABOLISM,hn,CO2 + H2O + ATP,Flavonoids,photosynthesis,Glucose (6 carbons),starch,n,glycolysis,phosphoenol pyruvate (PEP) (3 carbons),acetyl- coenzymeA (2 carbons),energy (ATP) + CO2 + H2O,mevalonic acid,terpenes steroids carotenoids,erythrose- 4-phosphate,shikimic acid,anthanilic acid,phenylalanine tyrosine,tryptophan,oxalo- acetate,lysine ornithine,aspartic acid,nicotinic acid,glutamic acid,NH3,Secondary Metabolites?,Primary Metabolites (PMs) The universal compounds found in all plants: the known sugars, protein amino acids, purines, purimidiness of nucleic acids, chlorophylls, etc. Secondary Metabolites (SMs) All other plant chemicals that vary in plant species and also do not appear to have an essential role in metabolism: Alkaloids, terpenoids, phenolics, etc.,Origin Secondary Metabolites are said to have first been a photosynthetic byproduct or chemical waste, proving fit those plants creating them. Then evolution did its stuff,1) According to carbon skeletal type. This was found to be “far too cumbersome for practical use.” 2) According to biogenesis or biosynthetic origin. This is the most widely used system of SM classification.,Using a biosynthetic classification system, largest groups of Secondary Metabolites: Terpenoids Alkaloids and other nitrogen compounds Phenolics,Classification Choices,第十二章 RNAi,Definition History Advancement Mechanism Applications,Why is RNAi important?,Most widely held view is that